Java AtomicInteger原理用法源码详解
文章目录
- Java AtomicInteger原理用法源码详解
- 基本原理
- 注意事项
- 基本方法
- 场景示例
- 中文源码
- 官方链接
基本原理
Java 中的 AtomicInteger 是一个原子类，用于实现对整数类型的原子操作。它提供了一系列方法，如 get()、set()、incrementAndGet()、compareAndSet() 等，可以在多线程环境下安全地进行原子操作。通过使用 AtomicInteger，可以避免使用显式的锁来保护共享整数变量，从而提高并发性能。它适用于许多并发场景，如计数器、标记位等。
AtomicInteger 的原理基于 CAS（Compare-And-Swap）操作。它内部使用了 Unsafe 类或者其他底层的原子操作机制来实现线程安全的操作。通过 CAS 操作，AtomicInteger 可以保证在多线程环境下对整数值的修改是原子性的，避免了竞态条件和数据不一致等问题。
AtomicInteger 的主要特点和原理如下：
- 内部使用 volatile 修饰的 int 变量：AtomicInteger 内部有一个被 volatile 修饰的 int 变量，用于存储整数值。volatile 关键字确保了变量的可见性，使得对该变量的读写操作具有原子性。
- 使用 CAS 操作进行原子更新：AtomicInteger 中的原子操作方法都是基于 CAS 操作实现的。CAS 操作包括比较内存中的值与预期值是否相等，如果相等则更新为新值，否则操作失败。CAS 操作利用底层硬件提供的原子指令，确保操作的原子性。
- 循环重试：由于 CAS 操作可能在多线程环境下失败，因此 AtomicInteger 在实现中使用了循环重试的机制。如果 CAS 操作失败，它会不断尝试进行 CAS 操作，直到成功为止。
注意事项
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AtomicInteger 并不能完全替代 Integer 类，因为它并没有提供自动装箱和拆箱的功能。
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虽然 AtomicInteger 提供了原子操作，但仍然需要根据具体情况考虑原子类的使用范围和正确性。有时候，可能需要额外的同步手段来保证一些复合操作的原子性。
假设需要对一个计数器进行原子递增和条件检查，以决定是否执行某个操作。以下是一个示例代码：
if (counter.incrementAndGet() >= threshold) {
// 执行操作
}
尽管递增操作和条件检查各自都是原子的，但由于两个操作之间存在竞态条件，可能会导致结果不一致。因为在判断条件后，其他线程可能已经对计数器进行了修改。在这种情况下，可以使用额外的同步手段，如锁（`synchronized`）或者显示的使用 `Lock` 接口，来保证多个操作的原子性，可以确保递增操作、条件检查和操作的执行之间是原子的，避免了竞态条件。 ```java synchronized (lock) { if (counter.incrementAndGet() >= threshold) { // 执行操作 } }基本方法
以下是对 AtomicInteger 类中提供的方法进行总结：
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AtomicInteger(int initialValue)：使用给定的初始值创建一个新的 AtomicInteger 对象。
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AtomicInteger()：创建一个新的 AtomicInteger 对象，并将初始值设为 0。
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int get()：获取当前存储的整数值。
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void set(int newValue)：设置整数值为指定的新值。
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void lazySet(int newValue)：最终将整数值设置为指定的新值。不保证立即生效，可能会延迟。
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int getAndSet(int newValue)：将整数值设置为指定的新值，并返回先前的值。
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boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则原子地将整数值设置为指定的新值，并返回操作是否成功。
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boolean weakCompareAndSet(int expect, int update)：与 compareAndSet() 方法类似，但不提供强有力的保证和排序保证。
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int getAndIncrement()：先返回当前值，然后将整数值增加 1。
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int getAndDecrement()：先返回当前值，然后将整数值减少 1。
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int getAndAdd(int delta)：先返回当前值，然后将整数值增加指定的增量。
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int incrementAndGet()：将整数值增加 1，然后返回更新后的值。
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int decrementAndGet()：将整数值减少 1，然后返回更新后的值。
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int addAndGet(int delta)：将整数值增加指定的增量，然后返回更新后的值。
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int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)：先获取当前值，然后将整数值更新为通过应用给定函数得到的新值，返回先前的值。
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int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)：先获取当前值，然后将整数值更新为通过应用给定函数得到的新值，返回更新后的值。
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int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：先获取当前值，然后将整数值与给定值通过应用给定函数进行累积计算，返回先前的值。
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int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：先获取当前值，然后将整数值与给定值通过应用给定函数进行累积计算，返回更新后的值。
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String toString()：以字符串形式返回当前存储的整数值。
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int intValue()：将当前存储的整数值转换为 int 类型并返回。
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long longValue()：将当前存储的整数值转换为 long 类型并返回。
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float floatValue()：将当前存储的整数值转换为 float 类型并返回。
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double doubleValue()：将当前存储的整数值转换为 double 类型并返回。
这些方法允许原子地对整数值进行各种操作，确保在多线程环境下的线程安全性。
场景示例
以下是几个适用场景和示例：
- 计数器（Counter）：AtomicInteger 可以用作计数器，在多线程环境下实现原子的自增、自减操作。例如，统计网站访问次数或任务完成数量等。
public class Counter { private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public void increment() { count.incrementAndGet(); } public void decrement() { count.decrementAndGet(); } public int getCount() { return count.get(); } }- 并发任务处理：在并发任务处理中，可以使用 AtomicInteger 来控制任务的执行顺序或限制同时执行的任务数量。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class TaskProcessor { private static final int MAX_CONCURRENT_TASKS = 10; private AtomicInteger activeTasks = new AtomicInteger(0); public void processTask(Runnable task) { // 检查是否达到最大并发任务数 while (activeTasks.get() >= MAX_CONCURRENT_TASKS) { // 等待其他任务完成后再继续执行 Thread.yield(); } try { activeTasks.incrementAndGet(); // 增加活动任务数 task.run(); // 执行任务 } finally { activeTasks.decrementAndGet(); // 减少活动任务数 } } }- 线程安全的共享变量：当多个线程需要共享某个变量时，可以使用 AtomicInteger 来保证线程安全。例如，在多个线程中对共享计数器进行递增操作。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class SharedVariableExample { private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Runnable task = () -> { for (int i = 0; i < 1000; i++) { counter.incrementAndGet(); // 原子递增操作 } }; Thread thread1 = new Thread(task); Thread thread2 = new Thread(task); thread1.start(); thread2.start(); thread1.join(); thread2.join(); System.out.println("Counter value: " + counter.get()); } }在上述示例中，两个线程并发地对 counter 进行递增操作，通过 AtomicInteger 来保证递增操作的原子性，并最终输出正确的计数器值。
总之，AtomicInteger 适用于多线程环境下对整数进行原子操作的场景，如计数器、并发任务处理和线程安全的共享变量等。它提供了一种高效且线程安全的方式来处理整数操作。
中文源码
/** * 一个可以原子更新的 {@code int} 值。请参阅 {@link java.util.concurrent.atomic} 包规范，了解原子变量的属性描述。 * {@code AtomicInteger} 在诸如原子递增计数器等应用中使用，不能用作 {@link java.lang.Integer} 的替代品。 * 但是，该类扩展了 {@code Number} 类，以便允许工具和实用程序对基于数字的类进行统一访问。 * * @since 1.5 * @author Doug Lea */ public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; // 设置使用 Unsafe.compareAndSwapInt 进行更新 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long valueOffset; static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } private volatile int value; // 使用 volatile 修饰，保证可见性 /** * 使用给定的初始值创建一个新的 {@code AtomicInteger}。 * * @param initialValue 初始值 */ public AtomicInteger(int initialValue) { value = initialValue; // 初始化整数值 } /** * 创建一个初始值为 {@code 0} 的新 {@code AtomicInteger}。 */ public AtomicInteger() { } /** * 获取当前值。 * * @return 当前值 */ public final int get() { return value; // 获取当前存储的整数值 } /** * 设置为给定值。 * * @param newValue 新值 */ public final void set(int newValue) { value = newValue; // 设置整数值为指定的新值 } /** * 最终设置为给定值。 * * @param newValue 新值 * @since 1.6 */ public final void lazySet(int newValue) { unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue); // 最终设置整数值为指定的新值，可能会延迟生效 } /** * 原子地设置为给定值，并返回旧值。 * * @param newValue 新值 * @return 先前的值 */ public final int getAndSet(int newValue) { return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); // 原子地设置整数值为指定的新值，并返回先前的值 } /** * 如果当前值 {@code ==} 预期值，则原子地将值设置为给定更新值。 * * @param expect 预期值 * @param update 新值 * @return {@code true} 表示成功。返回 {@code false} 表示实际值不等于预期值。 */ public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); // 如果当前值等于预期值，则原子地将整数值设置为指定的新值，并返回操作是否成功 } /** * 如果当前值 {@code ==} 预期值，则原子地将值设置为给定更新值。 * *可能会出现虚假失败，不提供排序保证， * 因此很少作为 {@code compareAndSet} 的替代方法。 * * @param expect 预期值 * @param update 新值 * @return {@code true} 表示成功 */ public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); // 弱 CAS 操作，不提供强有力的保证和排序保证 } /** * 原子地将当前值加 1。 * * @return 先前的值 */ public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); // 先返回当前值，然后将整数值增加 1 } /** * 原子地将当前值减 1。 * * @return 先前的值 */ public final int getAndDecrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1); // 先返回当前值，然后将整数值减少 1 } /** * 原子地将给定值加到当前值。 * * @param delta 要添加的值 * @return 先前的值 */ public final int getAndAdd(int delta) { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta); // 先返回当前值，然后将整数值增加指定的增量 } /** * 原子地将当前值加 1。 * * @return 更新后的值 */ public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; // 将整数值增加 1，然后返回更新后的值 } /** * 原子地将当前值减 1。 * * @return 更新后的值 */ public final int decrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1; // 将整数值减少 1，然后返回更新后的值 } /** * 原子地将给定值添加到当前值。 * * @param delta 要添加的值 * @return 更新后的值 */ public final int addAndGet(int delta) { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta; // 将整数值增加指定的增量，然后返回更新后的值 } /** * 使用给定函数原子地更新当前值，并返回先前的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新， * 因此该函数应是无副作用的。 * * @param updateFunction 无副作用的函数 * @return 先前的值 * @since 1.8 */ public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) { int prev, next; do { prev = get(); next = updateFunction.applyAsInt(prev); } while (!compareAndSet(prev, next)); return prev; } /** * 使用给定函数原子地更新当前值，并返回更新后的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新， * 因此该函数应是无副作用的。 * * @param updateFunction 无副作用的函数 * @return 更新后的值 * @since 1.8 */ public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) { int prev, next; do { prev = get(); next = updateFunction.applyAsInt(prev); } while (!compareAndSet(prev, next)); return next; } /** * 使用给定函数将当前值和给定值原子地更新，并返回先前的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新， * 因此该函数应是无副作用的。该函数将当前值作为第一个参数，给定更新作为第二个参数应用。 * * @param x 更新值 * @param accumulatorFunction 两个参数的无副作用函数 * @return 先前的值 * @since 1.8 */ public final int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction) { int prev, next; do { prev = get(); next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x); } while (!compareAndSet(prev, next)); return prev; } /** * 使用给定函数将当前值和给定值原子地更新，并返回更新后的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新， * 因此该函数应是无副作用的。该函数将当前值作为第一个参数，给定更新作为第二个参数应用。 * * @param x 更新值 * @param accumulatorFunction 两个参数的无副作用函数 * @return 更新后的值 * @since 1.8 */ public final int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction) { int prev, next; do { prev = get(); next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x); } while (!compareAndSet(prev, next)); return next; } /** * 返回当前值的字符串表示形式。 * * @return 当前值的字符串表示形式 */ public String toString() { return Integer.toString(get()); } /** * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code int} 返回。 */ public int intValue() { return get(); } /** * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code long} 返回，进行扩展原始转换。 * @jls 5.1.2 扩展原始类型转换 */ public long longValue() { return (long)get(); } /** * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code float} 返回，进行扩展原始转换。 * @jls 5.1.2 扩展原始类型转换 */ public float floatValue() { return (float)get(); } /** * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code double} 返回，进行扩展原始转换。 * @jls 5.1.2 扩展原始类型转换 */ public double doubleValue() { return (double)get(); } }
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